Hidrogenul: purtătorul de energie verde al viitorului? Understand article

Tradus de Mircea Băduţ. Hidrogenul ar putea fi combustibilul viitorului, dar îl putem noi produce în manieră sustenabilă? Karin Willquist ne explică.

Hidrogenul a fost botezat ‘purtătorul de energie al viitorului’ – deoarece el poate fi oxidat în celule de combustie (pile galvanice) pentru a genera electricitate, utilizabilă, de exemplu, la automobile, fără a emite bioxid de carbon (CO₂), şi poate fi produs în locuri îndepărtate de infrastructura energetică. Spre deosebire de resursele disponibile, precum gazele naturale şi benzina, hidrogenul nu există apriori ci trebuie produs, ceea ce îl face un purtător de energie, nu un combustibil.

Un sistem energetic în care hidrogenul este folosit pentru a furniza energie – o economie bazată pe hidrogen – a fost propus de John Bockris în 1970; în 1977 s-a semnat un acord internaţional pentru implementarea acestui sistem energetic bazat pe hidrogen^w1.

Hidrogenul este în principal folosit astăzi ca agent chimic (şi mai puţin ca purtător de energie), însă este limpede că el are potenţialul de a transforma sistemele noastre de transport şi de energie. Însă eliberarea potenţialului său energetic nu este uşoară. Majoritatea combustibililor actuali – lichizi, solizi sau gazoşi – au o mare densitate energetică. Spre deosebire, hidrogenul are o densitate energetică scăzută: la o presiune dată, arderea unui litru de hidrogen produce de-abia o treime din energia produsă prin arderea unui litru de metan. Aspectul acesta acutizează problemele stocării, distribuirii şi exploatării, probleme ce sunt vizate de cercetători (Schlapbach & Züttel, 2001)^w2. Asupra acestora voi insista şi eu in articolul de faţă.

Modalităţi de producere a hidrogenului

Hidrogenul este un element abundent pe suprafaţa Pământului, dar se găseşte doar legat de carbon, în carbohidraţi (în plante) sau de oxigen, în apă (H₂O). Hidrogenul sub formă de gaz (H₂) se găseşte în cantităţi infime pe Pământ. Una dintre provocările pentru producerea sustenabilă a hidrogenului constă în a elibera molecule de H₂ din legăturile cu carbonul şi cu oxigenul.

Actualmente, H₂ este produs în principal din combustibili fosili (precum gazul natural) prin reformare cu aburi: descompunerea hidrocarburilor la temperaturi şi presiuni înalte în combinaţie cu apa (SMR)^w2:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂                                              (1)

CO + H₂O → CO₂ + H₂                                                (2)

Totuşi, această metodă are dezavantajul că se bazează pe combustibili fosili şi că emite CO₂, cauzând aceleaşi probleme ca şi arderea combustibililor fosili. Reformarea cu aburi devine sustenabilă numai dacă se folosesc hidrocarburi regenerabile, precum bio-gazul, deoarece astfel se poate asigura recircularea bioxidului de carbon.

H₂ se poate produce şi prin electroliză^w2, proces în care electricitatea este folosită pentru a despărţi moleculele de apă (H₂O) în molecule de hidrogen şi de oxigen:

2H₂O → 2H₂ + O₂                                                       (3)

Această metodă poate deveni sustenabilă doar dacă energia electrică necesară provine din surse regenerabile, precum vântul, valurile sau soarele. Astfel, H₂ poate stoca energia în zilele în care morile de vânt produc mai multă electricitate decât absorb consumatorii ataşaţi.

În mod surpriunzător, separarea H₂O are loc de la sine în oceane, unde alge microscopice şi ciano-bacterii folosesc energia solară pentru a diviza molecula de apă într-un proces numit bio-fotoliză (Ecuaţia 3). Totuşi ritmul de producere a hidrogenului este extrem de lent.

Au fost făcute eforturi pentru a creşte ritmul de separare a hidrogenului în condiţii controlate, folosind micro-organisme modificate genetic, dar procesele încă sunt prea lente şi prea costisitoare pentru a constitui o sursă realistică de H₂, acum sau în viitorul apropiat (Hallenbeck & Ghosh, 2009).

În sfârşit, bio-hidrogenul poate fi generat prin procesarea recoltelor şi a deşeurilor industriale, forestiere sau agricole, folosind bacterii. Ca şi noi, aceste bacterii oxidează materialul ca pe o sursă de energie, doar că – spre deosebire de noi – ele trăiesc în medii anaerobe (fără oxigen). Prin respiraţia aerobă, noi folosim O₂ pentru a oxida zaharurile, de exemplu.

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6 H₂O                            (4)

În contrast, pentru a oxida cât mai intens substratul, şi deci pentru a-şi maximiza câştigul energetic, aceste bacterii anaerobe reduc protonii, eliberaţi pe durata oxidării de substrat, eliberând H₂ (Ecuaţia 6, mai jos).

Gângănii fierbinţi

Pe durata cercetărilor mele doctorale, am studiat abilităţile de producere a hidrogenului de către una dintre aceste bacterii, Caldicellulosiruptor saccharolyticus (Figura 1), care trăieşte în izvoare fierbinţi: medii anaerobe la 70 °C, cu nivele reduse de carbohidraţi. Această bacterie prezintă un interes particular deoarece este de două ori mai eficientă decât majoritatea bacteriilor folosite în producerea de H₂.

Spre deosebire de oameni, C. saccharolyticus extrage energie dintr-un spectru larg de substanţe organice: nu doar din glucoză, ci – de exemplu – şi din xiloză (Willquist et al., 2010).

Acest lucru permite bacteriilor să producă H₂ din reziduuri precum cele rezultate din procesarea cartofiilor, zahărului sau a morcovilor, precum şi din deşeuri industriale de lemn şi hârtie, sau din reziduuri agricole, precum paiele.

Aspectul acesta constituie un început promiţător, dar chiar şi bacteriile C. saccharolyticus eliberează doar 33% din potenţialul de H₂ conţinut de substrat. Ecuaţia 5 ne arată potenţialul oxidării complete a glucozei, eliberând 12 molecule de H₂ pentru fiecare moleculă de glucoză. Ecuaţia 6 prezintă fermentaţia realizată la întuneric de C. saccharolyticus, care eliberează doar 4H₂ (33%) per moleculă de glucoză. Restul energiei chimice potenţiale se regăseşte ca acetat/oţet (CH₃COOH).

Conversia completă a glucozei în H₂: C₆H₁₂O₆ + 6H₂O → 12H₂ + 6CO₂       (5)

Fermentaţia la întuneric: C₆H₁₂O₆ + 2H₂O → 4H₂ + 2CO₂ + 2CH₃COOH           (6)

Pentru a elibera restul de H₂ din moleculele de acetat este necesar un supliment de energie din exterior. Alternativ, metanul (CH₄) – care poate fi ulterior reformat cu abur pentru a elibera H₂ (Ecuaţiile 1 şi 2) – poate fi generat din acetat. Din fericire, există trei modalităţi promiţătoare de a face aceasta (Figura 2).

1. Folosind lumină solară pentru a converti acetatul în H₂ cu bacterii fotofermentative (Ecuaţia 7)^w3. Totuşi, ca şi în cazul H₂ produs de alge marine, acest proces este prea lent şi prea scump pentru a fi viabil în viitorul apropiat (Hallenbeck & Ghosh, 2009).

   2CH₃COOH + 4H₂O → 8H₂ + 4CO₂                                 (7)
    

2. Utilizând electricitatea pentru a forţa reacţia de descomputere a acetatului în H₂ într-o pilă de combustie microbiană cu o mixtură potrivită de specii de bacterii (Ecuaţia 7)^w4. Aceasta ar fi o abordare elegantă, dar aplicarea sa este astăzi limitată de eficienţa redusă (Hallenbeck & Gush, 2009). (Pentru a studia cum puteţi construi propia celulă de combustie microbiană, consultaţi Madden, 2010.)
    
3. Folosirea de agenţi producători de metan (Archaea) pentru a digera acetatul (Ecuaţia 8). Combinaţia dintre fermentaţia întunecată (Ecuaţia 6) şi sinteza de metan este cunoscută sub numele de proces hythane (hydrogen + methane), şi poate converti în H₂ şi în metan aproximativ 90% din substratul originar.

   CH₃COOH → CH₄ + CO₂                                                (8)

   La rândul lui, metanul generat poate fi supus reformării cu aburi pentru a elibera H₂.

Un exerciţiu de imaginaţie pentru ilustrarea procesului hythane: dacă patru oameni într-o casă consumă 10 kg de cartofi pe lună, deşeurile rezultate pot alimenta 0,5% din necesarul lor energetic lunar (3500 kWh), cu condiţia ca hidrogenul produs astfel să fie folosit direct (fără conversii/pierderi de energie) şi ca acea casă să fie echipată cu o celulă de combustie^w5. Desigur, mai mult H₂ ar putea fi generat şi din alte reziduuri (acei 0,5% provin doar de la cartofi).

Aceasta este doar o estimare aproximativă a potenţialulul procesului hythane, bazat pe a) o pierdere de energie de 30% în producerea de H₂ şi CH₄ (hythane), şi b) 30% în procesul de reformare cu aburi a metanului. Reformarea cu aburi (b) este folosită pentru a obţine hidrogen din gaz natural, şi este o tehnologie comercială bine dezvoltată. Totuşi, producerea de hythane (a) nu este deocamdată eficientă. Însă există în derulare cercetări vizând ridicarea eficienţiei până la 70% (ca în exemplul de mai sus), astfel încât producerea de biohidrogen să devină competitivă comparabil cu producerea de H₂ prin reformarea cu aburi a combustibililor fosili.

Deşi s-au înregistrat câteva progrese recente^w6 (vedeţi caseta), este mult prea devereme pentru a estima o perioadă de timp peste care producerea sustenabilă de H₂ ar putea juca un rol semnificativ în furnizarea de energie. Oricum, aşa cum spunea odinioară poetul Mark Strand, “Viitorul începe întotdeauna acum.”

Cercetări în stocarea şi producerea hidrogenului

Stocarea sigură şi eficientă a hidrogenului este una dintre principalele provocări tehnologice în adoptarea hidrogenului ca agent energetic. Institutul Laue-Langevin (ILL)^w7 s-a impus în avangarda cercetării privind economia bazată pe hidrogen, folosind difracţia neutronică pentru a monitoriza reacţiile de hidrogenare şi dehidrogenare în materialele cu potenţial de folosinţă la stocarea hidrogenului. Pentru a afla mai multe, vizitaţi web-site-ul ILL^w7.

Puternicele raze X de la ESRF (European Synchrotron Radiation Facility)^w8 au validat recent mecanismele complexe prin care hidrogenul este produs de acele enzime numite hidrogenaze. Majoritatea acestor enzime lucrează în condiţii anaerobe, fiind inhibate de prezenţa oxigenului. Hidrogenazele care rămân active în condiţii anaerobe sunt de interes pentru tehnologii precum celulele/pilele de combustie enzimatică şi pentru producerea de hidrogen pe bază de lumină. O echipă germană de cercetători a rezolvat recent structura cristalină a uneia dintre aceste enzime (Fritsch et al., 2011) – ceea ce poate constitui un pas înainte spre economia hidrogenului.

ILL şi ESRF sunt memebre ale EIROforum^w9, editorul revistei Science in School.

Download

Download this article as a PDF